工業(yè)自動化 (IA) 的增加，特別是工業(yè)機器人的使用，增加了操作人員與其他移動設備或移動機器的部件之間發(fā)生意外交互的機會。設計人員有責任采取適當?shù)摹⑼ǔＪ侵丿B的安全預防措施，以免造成生產(chǎn)中斷、人員受傷甚至死亡等事故。

雖然安全是最重要的，但設計師在設計時還必須密切關注初始成本和總擁有成本。

本文將討論工廠安全措施最佳實踐，并介紹一些用于建立和維護安全工業(yè)環(huán)境及其應用的技術和產(chǎn)品。

工廠安全影響到組織中的所有人

工業(yè)工廠的安全是一個多方面的話題，需要從車間到管理層的所有組織層面的參與。理想情況下，安全工廠是從頭開始設計的，但是許多工廠建筑早在自動化技術廣泛應用、使用工業(yè)機器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 技術興起之前就已經(jīng)存在了。

許多國家和國際安全標準適用于不同類型的工業(yè)機械、安全設備和生產(chǎn)流程。其中包括：

• ANSI/RIA 15.06（機器人與機器人系統(tǒng)安全）

• ISO 13856-1:2013（機器安全：壓敏保護裝置）

• ISO 13849-1（機器安全：控制系統(tǒng)的安全相關部分）

• ANSI B11.19-2003（保護設備和保護員工免于截肢）

• CSA Z432-16（機器維護）

在開始之前，設計人員必須花時間熟悉適用的規(guī)范。

開發(fā)安全的工廠環(huán)境的首選方法分多個層次。這一過程始于對危險的綜合識別、評價和分析，并對其相對重要性進行評估。

有幾種方法可以減少由此識別的危險帶來的風險。實例包括：

• 降低危害的潛在嚴重程度。

• 提高避免危害的可能性。

• 減少進入危險區(qū)域的人員數(shù)量，或其暴露時間。

在初步分析之后，下一個階段是建立危險控制等級，根據(jù)有效性和對每個風險的偏好順序來對這些措施進行評級。ISO 12100:2010（機器安全 – 設計的一般原則）是針對風險降低分級概念和方法的主要標準。

首選的解決方案是完全消除風險，或者使用更安全的替代方案，最大程度地減少意外人機交互的機會（圖 1）。例如，安裝自動化材料裝載系統(tǒng)，替代人工裝載操作。

如果這不可行，次一級的最可取做法是增加保護裝置，防止危險事件的發(fā)生。如果保護裝置被激活，它通常會啟動一個沒有人工輸入的自動操作；機器被關閉，或者機器人被禁用，直到操作人員執(zhí)行手動復位。這類裝置的實例包括光幕、聯(lián)鎖和壓力墊。

其他的選擇不太理想，因為它們需要人的行動作為危險規(guī)避的一部分：這些選項包括視覺或聲音警報、加強安全培訓，以及防護裝備，例如面罩、耳塞或手套。

圖 1：危險控制等級按照影響和實現(xiàn)方式對保護措施進行分級。（圖片來源：SICK）

在改造現(xiàn)有工作區(qū)域方面，主動防護裝置還有另一個優(yōu)點：安裝速度。它們可在不重新設計工作流程或培訓人員的情況下添加到新安全程序中，而這兩項工作都需要幾個月的執(zhí)行時間。

設計一個多層方式實現(xiàn)工作單元安全

現(xiàn)代工業(yè)工作單元采用多層安全方式：設計人員必須將安全墊、光幕、激光等主動措施與視覺和聲音報警指示器結(jié)合起來（圖 2）。預期的結(jié)果是：操作人員收到可能存在不安全情況的警告。如果他們冒險進入險境，幾個獨立裝置就會在災難發(fā)生前關閉作業(yè)。

圖 2：在一個自動化的工作單元中使用了多種不同的安全裝置，這樣如果操作人員冒險進入險境，幾個獨立裝置就會在災難發(fā)生前關閉作業(yè)。（圖片來源：Digi-Key）

越來越多的工業(yè)網(wǎng)絡連接這些裝置；數(shù)據(jù)用于跟蹤和記錄事件，并確定未來改進的領域。下面，我們將討論一些主要的安全裝置及其應用。

安全墊：傳統(tǒng)但仍然有效的解決方案

安全墊是防止員工或輪式機器進入不安全區(qū)域的有效手段。通常，一個安全墊使用一個斷開開關，當指定的最小重量壓在墊子上時，開關閉合。開關閉合會導致產(chǎn)生一個信號，發(fā)送到安全墊控制器，控制器再發(fā)起一個停止信號，發(fā)送到被保護的機器。

Omron Automation and Safety的UM5-4836就是一個很好的實例：它使用了由 24 號鋼制成的兩個導電板組成了開關（圖 3）。30 kg (66 lbs) 的激活力可以閉合開關。安全墊包括集成的四線電纜，它讓控制器能夠監(jiān)控故障情況，例如永久斷開連接或物理損壞。

圖 3：Omron UM 系列安全墊系統(tǒng)包括墊子和控制器，還有各種剪片，用于將墊子固定在地板上。（圖片來源：Omron）

多個安全墊可以串聯(lián)在一起，在機器周圍形成一個安全區(qū)域。安全區(qū)域要與像 Omron 的MC3、MC4或MC6這樣的安全墊控制器結(jié)合在一起：MC6 可以容納最多 6 個單獨的安全墊區(qū)域。

早在 20 世紀 50 年代，安全墊就一直是工廠中區(qū)域保護的標準形式。但要注意，作為一種機電技術，安全墊必然會受到物理、環(huán)境和操作上的濫用，并且觸頭可能因為長期重復使用而磨損。安全墊仍然在現(xiàn)代高度自動化的工廠中被廣泛使用。

光幕可以防止進入危險區(qū)域

如果設計人員需要隔離危險機器，或者建立一道“看不見的墻”來隔離區(qū)域，那么安全光幕就是一個合適的選擇（圖 4）。光幕包含一系列光電發(fā)射器，它們會將同步的平行紅外光束投射到匹配的接收單元。當不透明物體進入感應場，遮斷一個或多個光束時，接收器會檢測到事件，而光幕會向被保護的機器發(fā)送停止信號。

發(fā)射器模塊包含能夠發(fā)射紅外線 (IR) 序列脈沖的 LED。脈沖調(diào)制為特定的頻率，而接收器中相應的光電晶體管被設計為只檢測指定的脈沖和頻率。這種技術改善了對外部光源的過濾。

圖 4：通過對每個光束軸執(zhí)行屏蔽控制，光幕可以區(qū)分工件和操作人員 (a)。它還可以包括一個盲區(qū)動作 (b)，以使永久障礙物被忽略。（圖片來源：Panasonic Industrial Automation）

在傳送帶等應用中，光幕具有屏蔽功能：當一個意想不到的物體通過時，會使生產(chǎn)線停止，但當一件產(chǎn)品通過時，生產(chǎn)線就不會停止。

如果啟用屏蔽功能的成對發(fā)射器/接收器檢測到傳送帶上的產(chǎn)品（圖 4a），它可以禁用指定數(shù)量的通道，以防止錯誤觸發(fā)。但是，操作人員仍會中斷其中一個活動通道，并且引起報警。當屏蔽系統(tǒng)檢測到產(chǎn)品已通過時，它會重新啟用已經(jīng)被屏蔽的通道。

另外，盲區(qū)功能可以禁用通常阻塞的通道（圖 4b），例如被一臺設備阻塞的通道。

Panasonic Industrial Automation 的SF4B系列光幕包括了針對不同應用優(yōu)化的多種產(chǎn)品。“H”系列設備的目的是探測手掌大小的物體，光束垂直間距為 20 毫米（0.8 英寸）。例如SF4B-H28(V2)有 28 個發(fā)射/接收通道，形成一個 500 毫米 (mm) 或 21.7 英寸 (") 高的光幕。該產(chǎn)品的工作范圍為 0.3 m 到 9 m。

“F”系列產(chǎn)品的間距為 10 mm (0.4")，可以保護手指等較小的對象。SF4B-F79(V2)有 79 個傳輸/接收對，保護高度為 790 mm (31.1")，工作范圍為 0.3 m 到 7 m。

SICK C4C-SA03030A10000 發(fā)射器及其配對的 C4C-EA03030A10000 接收器組合成為一個 300 mm (11.8") 的光幕，最大工作范圍為 15 m（49 英尺）。該公司還提供了一系列的發(fā)射器/接收器對，保護高度最高可達 900 mm (35.4")。

激光掃描儀系統(tǒng)可在區(qū)域保護方面實現(xiàn)靈活的設計

在過去的幾十年里，激光技術也開始幫助改善工廠車間的安全。安全激光掃描儀可提供某個區(qū)域的三維保護，并且通過針對危險指定不同的警告和安全帶（也稱為區(qū)域），為設計人員提供更大的靈活性，讓他們能夠量身定制系統(tǒng)響應（圖 5）。

圖 5：激光掃描儀允許設計人員設置不同響應級別的多個安全區(qū)域。（圖片來源：SICK）

一旦在外部警戒區(qū)檢測到物體或人，掃描儀就會將警告信號發(fā)送給聽覺或視覺指示器，該指示器會通知他們存在潛在危險。當人員或物體進入內(nèi)部安全場時，激光掃描儀會發(fā)出一個信號來阻止機器人或機器的危險運動。這些區(qū)域是可編程的，可以通過對安全掃描儀的輸入來動態(tài)更改。

安全激光掃描儀使用了“渡越時間”技術。發(fā)射器發(fā)出一束脈沖激光束，被入侵的物體反射并被接收器檢測到。發(fā)射與接收之間的間隔時間與掃描儀和物體之間的距離成正比。

集成的旋轉(zhuǎn)鏡使脈沖激光束偏轉(zhuǎn)，使該裝置能夠?qū)χ車鷧^(qū)域進行扇形掃描。實時測量數(shù)據(jù)可以通過聯(lián)網(wǎng)接口傳輸，以便在需要時進行進一步分析。

例如，SICK 的 S32B-2011BA 安全激光掃描儀使用激光二極管，產(chǎn)生波長為 905 納米 (nm) 的近紅外脈沖。該設備是 SICK 的 S300 系列的一部分，其保護范圍為 2 m，警告范圍為 8 m。另一款 S300 器件 S32B-3011BA 的保護范圍為 3 m。

Omron Automation and Safety 提供的OS32C區(qū)域掃描儀的監(jiān)測領域達到 270?，包括兩個獨立的預警區(qū)域，還有一個安全區(qū)域（圖 6）。OS32C 可以通過工業(yè) EtherNet/IP 協(xié)議進行通信：它可由符合 ODVA EtherNet/IP 標準的產(chǎn)品進行監(jiān)控，例如可編程邏輯控制器 (PLC) 和工業(yè)人機界面 (HMI) 模塊。可以傳輸多種數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)狀態(tài)、區(qū)域狀態(tài)、測量細節(jié)。

圖 6：Omron 的 OS32C 系列區(qū)域掃描儀具有多個可編程區(qū)域（圖片來源：Omron Automation and Safety）

直到最近，激光掃描儀的價格都比安全墊高得多。但是，隨著低成本的激光安全掃描儀的推出，從總擁有成本 (TCO) 的角度來看，安全掃描儀的投資回報率 (ROI) 優(yōu)于老式技術。TCO 分析表明，激光掃描儀在高流量區(qū)域尤其具有優(yōu)勢，因為在這些區(qū)域，安全墊可能需要定期更換。

其他安全組件幫助“連點成線”

上文討論的主要安全裝置與其他安全組件一起使用，這些安全組件在技術上不是那么復雜，但在工廠安全方面發(fā)揮著至關重要的作用。其中包括緊急開關、門鎖、照明塔、纜索牽引致動器等。設計人員可在 Digi-Key 的安全組件頁面上找到更多關于這些產(chǎn)品的信息。

總結(jié)

設計安全的工業(yè)環(huán)境需要多層方法，以采用多種策略來防止不必要的人機交互。

關鍵是首先要防止人員和設備進入潛在危險區(qū)域。安全墊、光幕和安全激光掃描儀在檢測入侵和自動關閉機器方面發(fā)揮著重要作用，且無需人工干預。